基于DSP單片機(jī)在電動(dòng)車(chē)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

5 平行雙輪電動(dòng)車(chē)的控制原理
以 TMS320LF2407A為控制核心的運(yùn)動(dòng)控制器，根據(jù)光電編碼器和姿態(tài)傳感器檢測(cè)到的平臺(tái)運(yùn)行的位移和姿態(tài)信號(hào)，通過(guò)一定的控制策略計(jì)算出控制量，再經(jīng)PWM控制及驅(qū)動(dòng)器放大后驅(qū)動(dòng)無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)，隨時(shí)調(diào)整車(chē)體平臺(tái)的運(yùn)行速度，從而使車(chē)體平臺(tái)始終保持平衡狀態(tài)?？刂破麟娐分饕?TMS320LF2407A、電機(jī)驅(qū)動(dòng)芯片、電池模塊以及外圍電路組成。其控制電路原理框圖如圖3所示。

采用微硅陀螺儀和傾角傳感器的組合構(gòu)成姿態(tài)傳感器來(lái)檢測(cè)車(chē)體平臺(tái)的運(yùn)行姿態(tài)。其中，微硅陀螺儀檢測(cè)的是平臺(tái)繞轉(zhuǎn)動(dòng)輪軸轉(zhuǎn)動(dòng)的角速率，傾角傳感器檢測(cè)的是平臺(tái)相對(duì)于水平面的傾角。控制板采集來(lái)自傾角和角速度傳感器的信號(hào)并對(duì)信號(hào)進(jìn)行調(diào)理(消波、整形、偏移)，然后將信號(hào)傳送到TMS320LF2407A的 ADCIN00和ADCIN01通道中，經(jīng)過(guò)DSP的運(yùn)算處理(控制算法由電動(dòng)車(chē)系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型推導(dǎo)而出)，通過(guò)DSP的兩路PWM將控制信號(hào)發(fā)出，再經(jīng)過(guò)電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊驅(qū)動(dòng)電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)，控制小車(chē)保持平衡狀態(tài)。
6 檢測(cè)電路的工作原理
考慮到來(lái)自輸入的噪聲干擾等因素，要對(duì)傳感器的輸出電壓進(jìn)行調(diào)理。相同的輸入電路共有8路(1路為傾角傳感器輸入電路；1路為角速度傳感器輸入電路；1路為小車(chē)駕駛者的轉(zhuǎn)彎信號(hào)輸入(保留功能)；1路為電池電量檢測(cè)；其余4路為預(yù)留電路)，下面僅就其中1路加以說(shuō)明。電路圖如圖4所示。

其中U4C為多端輸入的電壓并聯(lián)負(fù)反饋電路，假設(shè)偏置電壓與傳感器輸入電壓分別為V1，V2，則：

由此得：

這里取R31=R15=R16，所以有V8=-(V1 V2)，即：基本運(yùn)算電路中的反相加法電路。然后將其輸出電壓V8再經(jīng)過(guò)反向放大器U4D進(jìn)行放大，調(diào)節(jié)W18使輸出為0～2.4 V，其中D15與D16為過(guò)電壓保護(hù)電路。

圖5為偏置電壓產(chǎn)生電路，VREF1P，VREF1N為圖4中的偏置電壓的輸入端，由于偏置電壓值要求比較高，所以選用TL074對(duì)CPUREF這個(gè)精度比較高的電壓進(jìn)行放大來(lái)提供。

7 軟件設(shè)計(jì)
軟件設(shè)計(jì)框圖如圖6所示，包括初始化部分、數(shù)據(jù)處理和轉(zhuǎn)換部分、閉環(huán)控制算法以及控制量輸出部分等。初始化程序設(shè)置用戶要求的變量和系統(tǒng)初始狀態(tài)，主要完成設(shè)置系統(tǒng)寄存器初值、建立中斷、外圍部分初始化的工作。數(shù)據(jù)處理和轉(zhuǎn)換部分完成對(duì)輸入信號(hào)進(jìn)行數(shù)據(jù)采集并進(jìn)行平滑濾波處理。閉環(huán)控制算法根據(jù)閉環(huán)極點(diǎn)配置算法進(jìn)行編程。

8 行走仿真
經(jīng)過(guò)對(duì)控制參數(shù)的多次調(diào)整，樣車(chē)終于能夠比較平穩(wěn)的行走。樣車(chē)在平衡狀態(tài)下(速度初始值為零)采集到有關(guān)數(shù)據(jù)，通過(guò)軟件處理后生成樣車(chē)在直線行走時(shí)的速度變化折線圖，如圖7所示。樣車(chē)平臺(tái)繞輪軸的傾角變化折線圖如圖8所示。

由圖7可以看出，速度曲線首先從零點(diǎn)向正方向變化，且變化的速度很快，然后很快下降到零點(diǎn)，在零點(diǎn)保持一段時(shí)間后，速度曲線又很快向負(fù)方向變化，然后迅速變化到零點(diǎn)，保持一段時(shí)間后，速度曲線重新開(kāi)始新的一個(gè)變化周期。對(duì)應(yīng)于樣車(chē)，即樣車(chē)向一個(gè)方向很快運(yùn)動(dòng)，然后迅速停止，保持一定時(shí)間后，又向另一個(gè)方向很快運(yùn)動(dòng)，然后迅速停止，保持一定時(shí)間后，再開(kāi)始一個(gè)新的運(yùn)動(dòng)周期。
由圖8可以看出，傾角首先從零點(diǎn)上升到最大點(diǎn)，然后下降到最低點(diǎn)，再?gòu)淖畹忘c(diǎn)上升到最高點(diǎn)，如此周而復(fù)始，其最高點(diǎn)和最低點(diǎn)傾角絕對(duì)數(shù)值都比較小。
從速度、傾角變化折線圖可以看出：樣車(chē)在保持平衡狀態(tài)下，其直線行走的速度在一個(gè)比較窄的范圍內(nèi)繞零點(diǎn)周期性地變動(dòng)，也就是說(shuō)，樣車(chē)在有規(guī)律地做往返振蕩運(yùn)動(dòng)；樣車(chē)?yán)@輪軸的傾角圍繞零點(diǎn)在一個(gè)較小的范圍內(nèi)做有規(guī)律的波動(dòng)。從上面的變化規(guī)律可以看出，樣車(chē)處于一個(gè)動(dòng)平衡的狀態(tài)，因此可以得出這樣的結(jié)論：控制系統(tǒng)的建模和控制器的設(shè)計(jì)是合理有效的，完全可以通過(guò)一系列的控制手段，較好地實(shí)現(xiàn)平行雙輪電動(dòng)車(chē)的行走。
9 結(jié) 語(yǔ)
本文針對(duì)平行雙輪電動(dòng)車(chē)的技術(shù)要求和具體特點(diǎn)，以美國(guó)TI公司生產(chǎn)的TMS320LF2407A作為控制核心，將DSP芯片運(yùn)用于平行雙輪電動(dòng)車(chē)的控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，可以實(shí)現(xiàn)硬件體積小、系統(tǒng)抗干擾能力強(qiáng)、響應(yīng)速度快、控制方案靈活等特點(diǎn)。對(duì)其后續(xù)的研究工作，如電機(jī)的控制可以引入多種控制策略，以求得到更好的控制性能、精度和轉(zhuǎn)矩的平穩(wěn)性，具有深遠(yuǎn)的意義。